液冷与动态自然冷却的综合运用技术
云计算、大数据和5G的迅猛发展给服务器散热带来了严峻挑战。随着CPU性能的提升，热耗和温度不断上升，风冷产品和噪声已经达到瓶颈。而人工智能中对高功耗GPU的需求更加加剧了传统风冷技术的无力应对高密度机柜散热的问题。因此，液冷技术成为业界新的关注焦点，其散热能力较强，液体的比热容和热传导性能也更高。液冷技术可采用直接冷却和间接冷却两种方式，数据中心常用的包括冷板、浸没和喷淋等技术。其中，二次侧集中循环直接接触冷板式液冷系统具有投资成本低、可靠性高、维护方便和使用寿命长等优势。此外，结合动态自然冷却空调系统和液冷技术，可以有效降低制冷系统的功耗，将数据中心的制冷系统朝着零机械压缩制冷的方向发展，从而解决高密度服务器散热和耗能问题。
直接接触冷板式液冷系统一般由一次侧设备和二次侧设备组成。一次侧设备包括一次侧循环泵和室外散热设备，通常是干冷器或闭式冷却塔。二次侧设备包含换热模块、分歧管模块和芯片散热冷板。根据芯片散热冷板中是否含有微型泵，二次侧设备分为二次侧分散循环系统和二次侧集中循环系统。由于含有微型泵的冷板尺寸较大不能满足不同服务器的要求，数据中心通常采用换热模块中集成循环泵的二次侧集中循环系统。
换热模块的基本功能是实现一次侧和二次侧的热交换，并精确控制冷却液的温度。它通常由板式换热器、电动比例阀、二次侧循环泵、膨胀罐、安全阀、进出水管专用接头、控制器及面板等组成。换热模块的性能在不同流量和温差下会有明显差异，所以在实际工程中应根据设计工况合理选择和应用。
图1某款换热模块结构示意图
芯片散热冷板通常采用铜板材料，采用微通道架构实现独特的分流设计，以降低压降并增加冷却液的流量，确保冷却液能够优先冷却芯片最热区域。这种设计不需要任何运动部件，具有高可靠性。分歧管会将经过热交换模块冷却的冷却液均匀有序地分配到芯片散热冷板中，避免了不同路径的芯片散热冷板出现流量不足或过大的情况。这样可以确保冷却液对芯片的散热均匀有效，提高散热效果。
间接动态自然冷却空调系统由间接自然冷却室内机组、干冷器机组、变频水泵和连接管路等组成。室内机组采用自然冷却冷水盘管和水量调节阀，室外机组通过闭式冷却塔提供冷水循环。系统可以同时实现自然冷却和机械压缩制冷，具有机械制冷、混合制冷和自然冷却制冷等多种运行模式。在高温外界环境下，系统采用机械制冷；在过渡季节，部分冷水用于自然冷却，另一部分用于机械制冷散热；而在低温外界环境下，系统完全依靠自然冷却，从而实现更高的节能效果。系统根据室内负载和室外温度的实际情况动态调整工作模式，实现节能和舒适的空调效果。
利用直接接触冷板式液冷系统集中冷却服务器芯片，同时搭配动态自然冷却空调系统对服务器的其他发热元器件进行风冷散热，此时数据中心的制冷系统架构示意图如图2所示。采用直接接触冷板式液冷系统对服务器芯片进行集中冷却服务。同时搭配动态自然冷却空调系统对服务器的其他发热元器件进行风冷散热。在室内，散热终端包括直接接触式冷板、动态自然冷却室内机组的蒸发盘管和表冷器。而在室外，采用干冷器（闭式冷却塔）作为散热设备。具体的服务器散热流程如图3所示。通过这样的架构，可以实现服务器高效的散热和冷却，确保数据中心的稳定运行。
图2液冷与动态自然冷却综合运用散热系统架构示意图
图3服务器热量散发途径示意图
干冷器作为室外散热设备的工作过程中不需要消耗水资源，它利用室外空气来冷却管内的液体，通过降低液体的温度来实现冷却的效果。这种工作方式降低了系统对水资源的依赖程度，使其具有更广泛的适用性。
图4液冷及动态自然冷却综合散热系统主要设备表
无论是直接接触冷板式液冷还是动态自然冷却空调系统，它们的PUE值都非常低。综合运用这两种技术可以实现高密度数据中心的高效节能运行。虽然动态自然冷却空调系统的PUE已经很低，但与液冷系统相比还存在一定差距。因此，在选择采用直接接触冷板式液冷的数据中心配置服务器时，应该尽量选择具有较大冷板散热占比的服务器，以减少对风冷散热的负载。就最终室外散热设备而言，液冷系统由于一直在高进出水温下运行且干冷器按照极端气温选型散热面积较大，所以其干冷器风机的年运行功耗非常低。而为了尽可能减少室内机组压缩机的运行，动态自然冷却空调系统的干冷器风机在系统进入完全自然冷却制冷模式前会一直高速运转，这导致其年运行功耗相对较高。因此，降低这部分功耗可以进一步提高综合系统的能效。作为数据中心两种先进节能的制冷技术，直接接触冷板式液冷及动态自然冷却空调系统的综合运用有利于打造真正的绿色数据中心。
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